基于物聯網的恒溫恒濕箱的遠程監控系統設計

呂俊蓉，王利恒

（武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430205）

恒溫恒濕箱是用于對各種產品、零器件進行環境測試的實驗裝置，一次實驗時間一般很長，如需要及時了解測試過程中的參數，需要試驗人員就地守護，否則只能試驗完成之后離線查詢數據。

隨著物聯網技術、計算機技術和嵌入式技術的發展，將物聯網技術與工業測試設備相結合，可以實現遠程在線實時的監測到所有測試數據，并且可以提高自動化程度，實現一人在線管理多臺設備。同時物聯網技術也可以將設備廠家和用戶連接起來，實現遠程故障診斷與處理，改善設備的用戶體驗。針對工業測試設備的數據不大和實時性要求高的特點。本文在傳統的恒溫恒濕試驗箱的基礎上搭建了窄帶物聯網系統，從而實現工業恒溫恒濕試驗箱遠程智能化的管理和監控功能。

1 系統總體設計

恒溫恒濕試驗箱控制系統是一個多變量、非線性、大滯后、強耦合的系統，需要短時間內提供一個符合檢測精密零器件所需溫濕度的穩定環境，所以恒溫恒濕試驗箱需要無偏差的控制溫濕度的值。

為了使試驗箱快速穩定的到達所設定的溫濕度值，并使試驗人員了解測試過程中的參數，設計了一套基于物聯網的恒溫恒濕試驗箱遠程監控系統，可以及時地查看試驗箱的運行狀態，調整試驗箱工作運行時的參數，保證試驗箱正常的工作狀態，系統的總體設計方案如圖1所示。

圖1 系統的總體設計方案Fig.1 Overall design of system

系統中體現了完整的物聯網方案，本方案中包括物聯網平臺、業務應用和終端設備。恒溫恒濕試驗箱作為終端設備，通過無線模塊，將采集的溫濕度參數變化的值通過數據鏈路傳輸到物聯網平臺中，試驗人員可在業務應用層上讀取到相應的數據；試驗人員也可通過業務應用層把控制信號傳輸到物聯網平臺中，通過相應的數據鏈路傳輸，進行控制信號的類型轉化，從而調控試驗箱的運行狀態。整個數據的傳輸過程，實現了恒溫恒濕試驗箱基于物聯網的遠程查看和控制。

2 系統終端設備設計

2.1 主控芯片

主控芯片選擇的是STM32F103C8T6 微處理器，STM32F103C8T6 是一款基于ARM Cortex-M 內核STM32 系列的32 位的微控制器，其運行功耗較小，能夠連接多種類的外設，需要的工作電壓是2～3.6 V，工作時的溫度為-40 ℃～85 ℃。其最高頻率高達72 MHz，程序存儲器容量是64 KB，可連接CAN，I2C，UART/USART 和USB 等接口實現數據的有效傳輸，同時具備較多的IO 接口，所以被廣泛的應用于各種嵌入式系統的開發設計中。在本系統設計中，可以控制執行相關程序，接收和發送采集的數據。

2.2 溫度傳感器模塊

溫度傳感器采用的是PT100 溫度傳感器，該傳感器主要是用于將溫度變量轉換為可以標準化輸出的測量信號，主要是用于溫度參數的測量，該傳感器工作的實現是基于測量鉑電阻阻值的變化。

在本系統中，PT100 傳感器對于測量溫度和濕度以及其相關參數的變化，需要測量電路配合使用，用于采集阻值的變化，從而推算出對應的參數值，由于采集到的信號為模擬信號，所以需要由AD轉換電路將模擬信號轉換為數字信號，該溫控的工作模塊如圖2所示。

圖2 PT100 工作接線圖Fig.2 Working wiring diagram of PT100

2.3 NB-IoT 通信模塊

NB-IoT 通信技術是窄帶物聯網（narrow band internet of things）的簡稱，是IoT 行業中基于蜂窩的窄帶物聯網的一種新興技術，支持低功耗設備在廣域網中進行蜂窩數據的連接，可直接部署于GSM 網絡、UMTS 網絡或者LIE 網絡[1]。并且NB-IoT 技術是屬于授權頻譜，使用License 頻段，可采用帶內、保護帶或者獨立載波等3 種部署方式，具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低等特點[2]。

本系統選用BC28 無線通信模塊進行上行數據和下行數據的傳輸，BC28 是一款超緊湊、高性能、低功耗的多頻段NB-IoT 無線通信模塊，由BC28 模塊完成數據的無線傳輸，可以保證在低頻或者信號不穩定的工業環境中，有效地進行數據傳輸。BC28無線通信模塊作為獨立的外設，通過串口TX 和RX與STM32 進行連接，接線如圖3所示。

3 系統業務應用層設計

圖3 BC28 工作接線圖Fig.3 Working wiring diagram of BC28

整個物聯網系統需要完成對設備數據信息的存儲和分析，通過業務應用層實現用戶和物聯網系統的通信，在軟件終端完成與設備的實時數據交互，實現對恒溫恒濕試驗箱的有效監控。

3.1 軟件終端設計

試驗人員可以通過業務平臺實現對試驗箱的遠程控制。登錄web 端或者移動端，申請查看數據庫中的數據，軟件控制系統流程如圖4所示，可在登錄頁面中查看終端設備上傳的溫濕度值變化趨勢和實時數值，同時可根據該數值進行判斷，若當前溫濕度值沒有到達設定值，則可在頁面中修改參數，完成遠程控制，并查看相應的溫濕度變化折線圖。

圖4 軟件控制系統流程Fig.4 Flow chart of software control system

3.2 網頁端設計

網頁頁面終端的設計，是進行人工交互的重要一步。網頁設計采用esplise 軟件進行編寫，使用JavaScript，HTML 和CSS 語言進行編寫，通過ajax技術異步讀取存儲在數據庫里的數據，實現遠程監控數據。網頁頁面設計如圖5所示，可在頁面中完成溫濕度及其相關參數的變化趨勢的折線圖和實時顯示當前溫濕度的值等相關查詢，同時根據查詢結果完成相應的控制，可保證試驗箱穩定的工作狀態。

圖5 網頁控制頁面Fig.5 Web page control page

3.2.1 實時數據顯示

在網頁控制頁面中可完成對實時數據的顯示。整個頁面和數據庫的控制通過servlet 技術進行連接，發送指令public void deGet（）函數來進行數據庫的讀取，利用HttpServletRequest 類中的封裝方法進行頁面元素的調用，由于整個監控過程需要實時的顯示當前溫濕度的值，所以采用out.print（rs.get-String（“value”））等函數直接顯示溫濕度，運行過程如圖6所示。

圖6 實時數據顯示程序控制框圖Fig.6 Control block diagram of real-time data display program

3.2.2 動態折線圖顯示

試驗人員需要根據觀察恒溫恒濕箱的溫濕度的變化規律以及對應參數的變化趨勢去判斷設備是否工作在穩定的狀態，需要在網頁中動態顯示相關數據參數折線圖。在java 文件中進行數據類的編寫，同時進行數據庫的連接，通過HttpServletRequest類發送控制指令，使網頁端進行ajax 技術，對數據庫里存儲的數據進行異步調用，同時使用Echart 技術完成數據的可視化操作，把數據以折線圖的形式顯示到網頁界面中，整個頁面的顯示過程如圖7所示。

圖7 溫濕度折線圖顯示程序控制框圖Fig.7 Temperature and humidity line diagram shows the program control block diagram

4 物聯網平臺設計

物聯網平臺購買的是華為云服務器，在服務器中搭建Linux 系統，完成C 語言、JAVA 語言和數據庫等環境配置，支持NB-IoT 無線傳輸設備入網，在服務器中完成端口配置，進行無線數據傳輸。在該系統中，物聯網終端可以分為3 個部分：華為云服務器、應用層和邊緣設備，如圖8所示。通過登錄華為云服務器，運行相應的環境配置，與NB 模塊的連接，實現STM32F103 芯片控制通信模塊與服務器的數據傳輸，通過MQTT 消息傳輸協議，進行數據的上傳并顯示，同時可以在服務器中通過執行指令，檢測到NB 模塊的運行情況和狀態。

圖8 物聯網平臺終端的設計Fig.8 Design of IoT platform terminal

華為云服務器：是一個虛擬服務器，不再受限于地理位置上的限制，實現了CPU，內存和I/O 接口等硬件的動態管理服務，簡化了系統的管理，提高了資源利用率。

應用層：可通過在華為云服務器上部署連接自己的應用服務，通過網頁端實時顯示上傳的數據。

邊緣設備：NB 通信模塊將硬件終端采集到的數據傳輸到服務器中，實現了硬件終端和軟件終端的聯系[3]。

5 數據鏈路設計

通過NB-IoT 通信技術把數據從終端設備傳輸到服務器中會經過6 個部分。從終端設備發送數據，依次經過了基站、核心網、云平臺，最后達到了服務器中[4]。當恒溫恒濕試驗箱采集到相應的參數變化值時，可以通過NB-IoT 無線傳輸模塊把數據傳輸到云端，完成數據存儲。NB-IoT 技術不需要接入網關，每一個設備都可以直接接入NB 網絡，即可與控制平臺通信，NB-IoT 技術數據傳輸流程如圖9所示。

圖9 NB-IoT 技術數據傳輸框圖Fig.9 Data transmission block diagram of NB-IoT technology

5.1 上行數據傳輸

恒溫恒濕試驗箱在運行過程中，試驗人員需要及時的檢測該設備的運行狀態，需要對數據進行實時的傳輸。在硬件終端中利用Keil uVision5 軟件編寫C 程序控制NB-IoT 模塊進行數據的無線傳輸，處理由傳感器采集的數據。

BC28 模塊與服務器平臺進行通信時，需要進行地址訪問和協議端口號的確定。在數據傳輸過程中，采用消息隊列遙測傳輸協議（message queuing telemetry transport，MQTT）與平臺進行通信。MQTT協議若是傳輸二進制類型的數據，需要在服務器中配置編解碼插件，完成數據類型的相互轉換，上行數據傳輸過程如圖10所示。

圖10 上行數據傳輸框圖Fig.10 Block diagram of uplink data transmission

5.2 下行數據傳輸

當恒溫恒濕試驗箱設備出現故障時，需要進行遠程控制完成控制指令的傳輸。在網頁端下發控制指令，下行消息傳輸至云平臺，由編解碼插件把下發的消息智能轉化為二進制數，根據MQTT 協議由BC 模塊接收指令，向設備終端發布控制信號，由終端設備訂閱控制信息，如圖11所示，完成下行數據的傳輸。

圖11 下行數據傳輸框圖Fig.11 Downlink data transmission block diagram

6 測試結果及分析

基于物聯網的恒溫恒濕箱的遠程監控系統的設計，主要目的是為了實現數據的遠距離傳輸和遠程控制。通過以上的設計可以完成在網頁端對數據的遠距離傳輸的查看和設備的遠程控制，如圖12和圖13所示。通過查看相應的折線圖，根據對應的溫濕度可以查看到相應的參數值，試驗人員可以根據參數走向判斷試驗箱的工作狀態是否穩定，完成相應的遠程控制。

在折線圖中，可以判斷恒溫恒濕試驗箱在工作時對溫濕度的調整是否精確，根據對應偏差、偏差變化率以及增加量的變化，判斷溫濕度在調整過程中的波動問題，從圖中可以看出，試驗箱在隨著時間變化的過程中，各相關參數逐漸趨于0，溫濕度的值也逐漸穩定的達到設定狀態。

圖12 溫度及其相關參數變化折線圖Fig.12 Line chart of temperature and related parameter changes

圖13 濕度及其相關參數變化折線圖Fig.13 Line chart humidity and related parameter changes

7 結語

通過對恒溫恒濕試驗箱的遠程調試，可以實時在軟件終端查看到相應的數據及其相關參數的變化情況，動態的檢測恒溫恒濕箱的運行環境，在滿足傳統的溫濕度控制要求的條件下，物聯網的控制為恒溫恒濕箱設備的運行節省了人力和物力，在短時間內能夠迅速的查看到恒溫恒濕箱的工作狀態，及時做出調整和管理。運用在工業系統中，極大的簡化了試驗人員的辦公條件，操作方便[5]。